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The LHeC as a Higgs Facility EPS HEP 2013 Stockholm, July 20 th , 2013 Uta Klein (University of Liverpool) for the LHeC Study Group

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The  LHeC  as  a  Higgs  Facility  

EPS HEP 2013 Stockholm, July 20th, 2013

Uta Klein (University of Liverpool) for the LHeC Study Group

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A  Large  Hadron  Electron  Collider  at  CERN  J.  Phys.  G:  Nucl.  Part.  Phys.  39  (2012)  075001    [arXiv:1206.2913]  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   2  

CDR  :  About  200  experimentalists  and  theorists  from  69  insStutes    

Supported  by    CERN,  ECFA,  NuPECC    

ContribuSons  at  EPS2013:  An  energy  recovery  electron  accelerator  for  DIS  at  the  LHC  by  Daniel  Schulte  High  Precision  DIS  with  the  LHeC  by  Amanda  Cooper-­‐Sarkar  The  LHeC  as  an  energy  fronSer  eA  collider  by  Max  Klein  A  new  detector  for  deep  inelasSc  physics  by  Peter  Kostka  et  al.  (poster)  New  Physics  with  the  LHeC  by  Monica  d’Onofrio  et  al.  (poster)  

h^p://cern.ch/lhec  

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Physics  at  a  glance  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   3  

! LHeC  :  up  to  100  to  1000  <mes  HERA  luminosity!  (no  pile-­‐up)  

! Higgs@HERA    σ~0.5  I  …  

! Higgs@LHeC  with  S/N~1;  σ~200  I  

!   High  precision  proton  PDFs,  also  for  LHC  searches  

!   High  precision  αS  to  0.1%  challenging  laWce  QCD…  

 

 

 √s=1.3-­‐2  TeV    

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Light  SM  Higgs  producSon  in  ep  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   4  

CC   NC  

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• Scale  dependencies  of  the  LO  calculaSons  are  in  the  range  of  5-­‐10%.  •   NLO  QCD  correcSons  are  small,  but  shape  distorSons  of  kinemaSc  distribuSons  up  to  20%.  QED  correcSons  up  to  -­‐5%.    

[J.  Blumlein,  G.J.  van  Oldenborgh  ,  R.  Ruckl,  Nucl.Phys.B395:35-­‐59,1993]  [B.Jager,  arXiv:1001.3789]    

Light  SM  Higgs  producSon  in  ep  

ETmiss    electrons  à  

 LHC  protons  à  Fwd  jet  

WWH    

 electrons  à  

 LHC  protons  à   Fwd  jet  

FS  electron  

ZZH  

è  In  ep,  direc<on  of  quark  (FS)  is  well  defined.  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   5  

Electron  beam  energy

CC  e-­‐p

CC  e+p

NC  e-­‐p

cross  secSon  [f]

109  

58 20

polarised  cross  secSon  [f]  P=-­‐80%

196 N.A. 25

 Ee=60  GeV  :  √s=  1.3  TeV    

MH=125  Ge

V  

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Hà  bb  study:  Analysis  framework  

n  Calculate  cross  sec<on  with  tree-­‐level  Feynman  diagrams  (PDF  CTEQ6L1)  

n  Generate  final  state  of  outgoing  par<cles  

Event  genera<on  

by  MadGraph/MadEvent  

•  SM  Higgs  produc<on  •  CC  &  NC  background

•  Fragmenta<on  •  Hadroniza<on  

Fast  detector  simula<on  by  PGS  (LHC-­‐style  detector)  

 H  →  bb  selec<on

Input  parameters  for  ini<al  studies  (CC  e-­‐p)  for  the  CDR  (before  Higgs  discovery):  

n  150  GeV  electron  beam            [  60  GeV  configura<on  as  comparison]  

n  7  TeV  proton  beam  n  120  GeV  SM  Higgs  boson  mass    

Generator  level  cuts  n  pT  >  5  GeV  (for  partons  besides  b)  n  |η|  <  5.0  n  For  NC:  Number  of  b  quarks  ≧  2  

 

by  PYTHIA  (modified  for  ep)  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   6  

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Generated  samples  Background  (examples)

CC:  3  jets  (~57  pb)       CC:  single  top  produc<on  (~4.1  pb)      

CC:  Z  produc<on    (~0.11  pb)      

NC:  b  pair  produc<on  (~1.1  nb)  

Signal  

CC:  H  →  bb  (BR  ~  0.7  at  MH=120GeV)    

σ~  0.16  pb  at  √s=2.05TeV  

NOTE:  Background  sample  numbers  are  a}er  pre-­‐selec<on  in  generator

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SelecSon  of  H→bb  n  NC  DIS  rejec<on  

n  Exclude  electron-­‐tagged  events  n  ET,miss  >  20  GeV  n  Njet  (pT  >  20  GeV)  ≧  3  n  ET,total  >  100  GeV  n  yJB  <  0.9,  Q2

JB  >  400  GeV2  

n  b-­‐tag  requirement  n  Nb-­‐jet  (pT  >  20  GeV)  ≧  2  

n  Higgs  invariant  mass  n  90  <  MH  <  120  GeV  

n  Single  top  rejec<on  n  Mjjj,top  >  250  GeV  n  Mjj,W  >  130  GeV  

ETmiss cut b-tag requirement

H→bb  CC  BG  NC  BG

⇒  44%  of  remaining  BG  is  single-­‐top…

⇒10%  mis-­‐ID

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H→bb  results      [MH=120  GeV,    Ep=7  TeV]    Forward jet η tag H  →  bb  signal n  Forward  jet  tagging  

n  ηjet  >  2  (lowest  η  jet    excluding  b-­‐tagged  jets)  

 

 

n  Higgs  invariant  mass  a}er  all  selec<on  

   

H→bb  CC  BG  NC  BG

Coordinate:  Fwd:  +z-­‐axis  along  proton  beam

Z→bb

 Ee=150  GeV    

10  I-­‐1  

Clear  signal  obtained  with  cut-­‐and-­‐count  based  analysis!  

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H→bb  results      [MH=120  GeV,    Ep=7  TeV]      

 

   

 Ee=60  GeV    

Ee  =  150  GeV  (10  f-­‐1)

Ee  =  60  GeV  (100  f-­‐1)

H  →  bb  signal 84.6 248

S/N   1.79* 1.05

S/√N 12.3 16.1

10  I-­‐1  

n  Case  study  for  electron  beam  energy  of  60  GeV  using  same  analysis  strategy  n  luminosity  values  of  100  I-­‐1    are  feasible    

 

 

 

   

n  Electron  energy  recovery  LINAC  with  high  electron  polarisa<on  of  80%  and  1034  cm-­‐2  s-­‐1          è  enhancement  by  factor  18  feasible,  i.e.  around  4500  Higgs  candidates  for  Ee=60  GeV  allowing  to  measure  Hbb  coupling    with  0.8  %  sta<s<cal  precision.  

n  S/N  ~1  confirmed  in  independent  analysis  for  MH=125  GeV  for  Ee=60  GeV  (master  thesis  by    Sergio  Mandelli,  University  of  Liverpool  2013)

*Note:  A  parton-­‐level  study  delivered  S/N  of  4.7.  

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…  as  a  Higgs  “Facility”  @  1  ab-­‐1  à  for  first  Sme  a  realisSc  opSon  of  an  1  ab-­‐1  ep  collider  (stronger  e-­‐source,  stronger  focussing  magnets)  and  excellent  performance  of  LHC  (higher  brightness  of  proton  beam);  ERL  :    960  superconduc<ng  cavi<es  (20  MV/m)  and  9  km  tunnel          [arXiv:1211.5102,  arXiv:1305.2090;  talk  by  D.  Schulte]            

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   11  

Ul<mate  e  and  p  beams,  10  years  of  opera<on  

è  other  BR’s  started  to  be  explored,  e.g.  ττ  

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Measure  CP  properSes  of  Higgs  •  Higgs  couplings  with  a  pair  of  gauge  bosons  (WW/ZZ)  and  a  pair  of  heavy  fermions  

(t/b/τ)  are  largest.  •  Higgs@LHeC  allows  uniquely  to  access  HWW  vertex  è    explore  the  CP  proper<es  

of  HVV  couplings:  BSM  will  modify  CP-­‐even  (λ)  and  CP-­‐odd  (  λ’)  states  differently  

•  Study  shape  changes  in  DIS  normalised  CC  Higgsà  bb  cross  sec<on  versus  the  azimuthal  angle,  ΔφMET,J,  between  ET,miss  and  forward  jet.    

In  ep,  full  Δφ  range  can  be  explored,  here  not  shown  yet.  

è  

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CDR  iniSal  study  of  HWW  vertex:  CP  couplings  probed  to  λ~0.05  λ’~0.2  based  on  50  f-­‐1  

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Partons  for  LHC  Higgs    

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44

46

48

50

52

54

56

58

60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

à  Using  LHeC  input:  experimental  uncertainty  of  predicted  LHC  Higgs  cross  sec<on  is  strongly  reduced  to  0.4%    due  to  PDFs  and  αS    è  clear  Higgs  mass  sensi<vity  in  cross  sec<on  predic<ons.      è Higgs@LHC  with  

σ(H)~50  pb        è HL-­‐LHC  +  ep  Higgs  

potenSal  and  PDFs  and  αS    :  transform  the  LHC  facility  into  a  genuine  Higgs    factory  

   

LHeC  

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Summary  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   14  

! LHeC,  in  ep(A)  collisions  synchronous  with  pp  (AA)  running,  could  deliver  

fundamentally  new  insights  on  the  structure  of  the  proton  (and  nucleus)    and  the  strong  coupling  αS  with  high  precision  è  thus  strengthen  enormously  the  HL/HE-­‐LHC  physics  case  for  searches  [“On  the  Rela<on  of  the  LHeC  and  the  LHC”,  arXiv:1211.5102]  

!   Sensi<vity  to  H→bb  is  es<mated  by  an  ini<al  simula<on  study  :                                LHeC  has  the  poten<al  to  measure  H  →  bb  coupling  with  an  S/N  of  ~1  and  to  1%  (4%)  accuracy  with  60  GeV  electron  beam  based  on  a  luminosity  of  1034  (1033)  cm-­‐2  s-­‐1.    

!   At  LHeC,  various  Higgs  boson  decays  and  Higgs  CP  eigenstates  could  be  accessed  via  WW  and  ZZ  fusion  at  c.m.s.  energies  of  1.3  TeV  and  with  1  ab-­‐1  -­‐  complementary  to  LHC  experiments.    

 !   New  high  luminosity  prospects  in  ep  have  just  started  to  be  explored  and  

open  exciSng  new  potenSal  for  complementary,  precision  Higgs  physics  at  the  LHC  facility.    

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AddiSonal  material  

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CDR  review  process  

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International referees invited by CERN

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…  put  to  scale  

17  

è  synchronous  running  of  ep  and  pp  a}er  LS3  as  an  upgrade  op<on  of  the  HL-­‐LHC  

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60  GeV  Electron  Accelerator      

ICHEP  LHeC  Max  Klein  7.7.2012   18  

Two  1km  long  LINACs    connected  at  CERN  territory  Arcs  of  1km  radius:  ~9km  tunnel  3  passages  with  energy  recovery  

John  Osborne  (June  LHeC  Workshop)  

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LHeC  and  the  HL-­‐LHC  (SUSY  searches)  

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With  high  energy  and  luminosity,  the  LHC  search  range  will  be  extended  to  high  masses,  up  to  5  TeV  in  pair  produc<on.  At  correspondingly  high  x  (>  0.5)  the  PDFs  are  unknown  to  a  considerable  extent  à  PDF  uncertain<es  easily  >  100%  for  high  mass  searches  è    gluon  density  from  LHeC  (10%  at  x=0.6,  ~4TeV)]    The  HL-­‐LHC  (search)  programme  requires  a  much  more  precise  understanding  of  QCD,  which    the  LHeC  provides  (strong  coupling,  gluon,  valence,  factorisa<on,  satura<on,  diffrac<on..)  

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KinemaSc  distribuSons  [MH=120  GeV,    Ee=150  GeV,    Ep=7  TeV]  

a-­‐b)  Kinema<c  distribu<ons  of  generated  Higgs  c-­‐d)  Reconstructed  yJB  and  Q2

JB    

pTH ηTH

yJB Q2JB

Generated  events  passed  to  Pythia  and  to  generic  LHC-­‐style  detector:  n  Coverage:    

n  Tracking:                |η|  <  3  n  Calorimeter:        |η|  <  5  

n  Calorimeter  resolu<on  n  EM:    1%  ⊕  5%/√E  n  Hadron:  60%/√E  n  Cell  size:  (Δη,Δφ)  =  (0.03,  0.03)  

n  Jet  reconstructed  (cone  ΔR=0.7)  n  b-­‐tag  performance  

n  Flat  efficiency  for  |η|  <  3  n  Efficiency/mis-­‐ID  

n  b-­‐jet:              60%  n  c-­‐jet:              10%  n  Other  jets:          1%  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   20  

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‘Detector’  LHC ! parameter set name 320 ! eta cells in calorimeter 200 ! phi cells in calorimeter 0.0314159 ! eta width of calorimeter cells |eta| < 5 0.0314159 ! phi width of calorimeter cells 0.01 ! electromagnetic calorimeter resolution const 0.2 ! electromagnetic calorimeter resolution * sqrt(E) 0.8 ! hadronic calolrimeter resolution * sqrt(E) 0.2 ! MET resolution 0.01 ! calorimeter cell edge crack fraction cone ! jet finding algorithm (cone or ktjet) 5.0 ! calorimeter trigger cluster finding seed threshold (GeV) 1.0 ! calorimeter trigger cluster finding shoulder threshold (GeV) 0.5 ! calorimeter kt cluster finder cone size (delta R) 2.0 ! outer radius of tracker (m) 4.0 ! magnetic field (T) 0.000013 ! sagitta resolution (m) 0.98 ! track finding efficiency 1.00 ! minimum track pt (GeV/c) 3.0 ! tracking eta coverage 3.0 ! e/gamma eta coverage 2.4 ! muon eta coverage 2.0 ! tau eta coverage

 20%à  5%  80%à60%  

jets:  cone<0.7    

Disclaimer  :  PGS  of  LHC  detector  +  flat  b-­‐tagging  in  the  full  tracking  range  of  |η|<3.0  b:  60%,  c:  10%,  udsg:  1%  CAL  coverage  un<l  |η|<5.0    EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   21